JP5076679B2

JP5076679B2 - 固体撮像装置及びカメラモジュール

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Description

本発明は、固体撮像装置、特に光電変換部と画素トランジスタを画素内に含む固体撮像装置、例えばＭＯＳイメージセンサ等に関する。
また、本発明は、かかる固体撮像装置を備えたカメラモジュールに関する。

固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像装置と、ＣＭＯＳイメージセンサに代表される増幅型固体撮像装置とに大別される。ＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサとを比較すると、ＣＣＤイメージセンサでは、信号電荷の転送に高い駆動電圧を必要とするため、ＣＭＯＳイメージセンサに比べて電源電圧が高くならざるを得ない。

従って、近年、カメラ付き携帯電話やＰＤＦ（Personal Digital Assistant）などのモバイル機器に搭載されている固体撮像装置としては、ＣＣＤイメージセンサに比べて電源電圧が低く、消費電力の点などから、ＣＣＤイメージセンサよりも有利なＣＭＯＳイメージセンサが多く用いられている。

モバイル機器等に用いられる固体撮像装置においては、小型化、高解像度化に伴い１画素あたりの面積が縮小され、この１画素の面積の縮小に伴い、光電変換部となるフォトダイオードの面積が減少し、感度の低下などを招くことになる。このため、例えば暗い被写体を明るく撮影できるように、赤外光（ＩＲ）をカットする層内光学フィルタ層（いわゆる赤外光カットフィルタ層）を有するカラー画素と赤外光を入射する画素とを単位画素マトリクスとして有する固体撮像装置が知られている（特許文献１参照）。

図１８に、赤外光カットフィルタ層の無いＣＭＯＳイメージセンサを示し、図１７に赤外光カットフィルタ層を有するＣＭＯＳイメージセンサを示す。図１８及び図１７では、構成を分かり易くするために、画素をフォトダイオードＰＤのみで代表させ、画素トランジスタを省略した状態で模式的に表している。

図１８に示すＣＭＯＳイメージセンサ１は、半導体基板２の主面側に光電変換部となるフォトダイオード（ＰＤ）３と複数の画素トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ：図示ぜず）で構成された、複数の画素を２次元アレイ状に形成された撮像領域を有する。この画素が形成された半導体基板２の主面上に層間絶縁膜４を介して複数層の配線５が形成された多層配線層６が形成される。さらに、この上に平坦化膜（図示せず）を介してカラーフィルタ７及びオンチップマイクロレンズ８が形成される。

図１７に示すＣＭＯＳイメージセンサ１１は、半導体基板２の主面側に光電変換部となるフォトダイオード（ＰＤ）３と複数の画素トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ：図示ぜず）で構成された、複数の画素を２次元アレイ状に形成された撮像領域を有する。この画素が形成された半導体基板２の主面上に層間絶縁膜４を介して複数層の配線５が形成された多層配線層６が形成され、この多層配線層６上に赤外光の入射をカットするべき画素に対応して、層内光学フィルタ層（赤外光カットフィルタ層）１２が形成される。すなわち、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各画素の上部には層内光学フィルタ層１２が形成され、他の１つの画素（いわゆるＩＲ画素）の上部には層内光学フィルタ層１２が形成されない。そして、層内光学フィルタ層１２が形成されない領域に埋め込み層１３が形成され、平坦化膜（図示せず）を介してカラーフィルタ７及びオンチップマイクロレンズ８が形成される。ここで、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素とＩＲ画素の４つの１画素で単位画素マトリクスが構成される。ＩＲ画素に対応するカラーフィルタは、可視光及び赤外光が透過するフィルタで形成される。

このＣＭＯＳイメージセンサ１１では、ＩＲ画素により赤外光を積極的に利用しているので、例えば暗い被写体を明るく撮りたい場合に、色調がとれて明るく撮ることができるなど、感度を上げることができる。

特開２００６−１９０９５８号公報

ところで、上述した図１７で示すカラーフィルタ７下の層内に層内光学フィルタ層１２を有するＣＭＯＳイメージセンサ１１においては、フォトダイオード３の受光面からオンチップマイクロレンズ８までの距離Ｈ１が、層内光学フィルタ層１２の無い図１８のＣＭＯＳイメージセンサ１における距離Ｈ２に比べて大きくなる。この距離Ｈ１が大きくなることによって、オンチップマイクロレンズ８による集光が不十分となり、カラーフィルタ７通過して目的の画素に入射する色光、特に斜め光が隣接する他の色の画素に入り易くなる。これにより、混色という現象が起こり、デバイス特性、いわゆる色感度が低下する虞れがあった。

本発明は、上述の点に鑑み、赤外光をカットする層内光学フィルタ層を有すると共に、混色の発生を抑制した固体撮像装置、及びこの固体撮像装置を備えたカメラモジュールを提供するものである。

本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部と画素トランジスタを含む画素が複数配列さ
れ、所要の画素の光電変換部の受光面に対向して赤外光をカットする層内光学フィルタ層
が形成され、層内光学フィルタ層の側壁に遮光性を有するサイドウォールが形成され、隣合う前記層内光学フィルタ層の間に層内レンズが形成されていることを特徴とする。

本発明に係るカメラモジュールは、固体撮像装置と光学レンズ系を備える。固体撮像装
置は、光電変換部と画素トランジスタを含む画素が複数配列され、所要の画素の光電変換
部の受光面に対向して赤外光をカットする層内光学フィルタ層が形成され、層内光学フィ
ルタ層の側壁に遮光性を有するサイドウォールが形成され、隣合う前記層内光学フィルタ層の間に層内レンズが形成されていることを特徴とする。

本発明における固体撮像装置では、赤外光をカットする層内光学フィルタ層の側壁に遮光性を有するサイドウォールが形成されるので、各画素に対して斜めに入る光が層内光学フィルタ層のサイドウォールで遮光され、隣接する画素への光入射が抑制される。

本発明におけるカメラモジュールでは、固体撮像装置において、赤外光をカットする層内光学フィルタ層の側壁に遮光性を有するサイドウォールが形成されるので、各画素に対して斜めに入る光が層内光学フィルタ層のサイドウォールで遮光され、隣接する画素への光入射が抑制される。

本発明に係る固体撮像装置によれば、斜めに入る光が層内光学フィルタ層のサイドウォールにより遮光されて隣接する画素への光入射が抑制されるので、混色の発生を抑制することができる。
本発明に係るカメラモジュールによれば、上記固体撮像装置を備えるので、混色の発生が抑制され、高画質化が図れる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。

図１に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちＣＭＯＳ固体撮像装置（イメージセンサ）の一実施の形態の全体の概略構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置２１は、半導体基板１００、例えばシリコン基板上に、複数の光電変換部を含む画素２２が規則的に２次元アレイ状に配列された撮像領域２３と、その周辺回路として垂直駆動回路２４と、カラム信号処理回路２５と、水平駆動回路２６と、出力回路２７と、制御回路２８等を有して構成される。

制御回路２８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路２４、カラム信号処理回路２５及び水平駆動回路２６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成し、垂直駆動回路２４、カラム信号処理回路２５及び水平駆動回路２６等に入力する。

垂直駆動回路２４は、例えばシフトレジスタによって構成され、撮像領域２３の各画素２２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線２９を通して各画素の光電変換部（フォトダイオード）３１において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路２５に供給する。

カラム信号処理回路２５は、画素２２の例えば列毎に配置されており、１行分の画素２２から出力される信号を画素列毎に黒基準画素（図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によってノイズ除去、すなわち画素２２固有の固定パターンノイズを除去するためのＣＤＳや信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路２５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線３０との間に接続されて設けられる。

水平駆動回路２６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路２５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路２５の各々から画素信号を水平信号線３０に出力させる。
出力回路２７は、カラム信号処理回路２５の各々から水平信号線３０を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。

図２は、上記画素２２の一例の等価回路である。画素２２は、光電変換部を構成する例えばフォトダイオード３１と、複数の画素トランジスタ、いわゆるＭＯＳトランジスタを有して成る。複数のＭＯＳトランジスタは、例えば転送用トランジスタ３２と、リセット用トランジスタ３３と、増幅用トランジスタ３４と、選択用トランジスタ３５で構成される。

フォトダイオード３１は、受光した光量に応じた電荷量の光電荷（ここでは、電子）に光電変換する。フォトダイオード３１のカソードは、転送用トランジスタ３２を介して増幅用トランジスタ３４のゲートに接続される。この増幅用トランジスタ３４のゲートと電気的に繋がったノードをフローティング・ディフージョン部ＦＤと呼ぶ。このフローティング・ディフージョン部ＦＤは、転送用トランジスタ３２のドレインで構成される。

転送用トランジスタ３２は、フォトダイオード３１のカソードとフローティング・ディフージョン部ＦＤとの間に接続される。転送用トランジスタ３２では、そのゲートに転送配線４２を介して転送パルスφＴＲＧが印加されることによってゲートがオン状態となり、フォトダイオード３１の電荷をフローティング・ディフージョン部ＦＤに転送する。

リセット用トランジスタ３３は、ドレインが画素電源（Ｖｄｄ）線４３に接続され、ソースがフローティング・ディフージョン部ＦＤに接続される。リセット用トランジスタ３３では、ゲートにリセット配線４４を介してリセットパルスφＲＳＴが印加されることによってオン状態となる。このオン状態において、フォトダイオード３１からフローティング・ディフージョン部ＦＤへの信号電荷の転送に先立って、フローティング・ディフージョン部ＦＤの電荷を画素電源線４３に捨てることにより、フローティング・ディフージョン部ＦＤをリセットする。

増幅用トランジスタ３４は、ゲートがフローティング・ディフージョン部ＦＤに接続され、ドレインが画素電源線４３に接続される。増幅用トランジスタ３４では、リセット用トランジスタ３３によってリセットした後のフローティング・ディフージョン部ＦＤの電位をリセットレベルとして出力する。さらに転送用トランジスタ３２によって信号電荷を転送した後のフローティング・ディフージョン部ＦＤの電位を信号レベルとして出力する。

選択用トランジスタ３５は、例えばドレインが増幅用トランジスタ３４のソースに接続され、そのソースが垂直信号線２９に接続される。選択用トランジスタ３５では、ゲートに選択配線４５を介して選択パルスφＳＥＬが印加されることによってオン状態となり、画素２２を選択状態として増幅用トランジスタ３４から出力される信号を垂直信号線２９に中継する。

横方向の配線、すなわち転送配線４２、リセット配線４４及び選択配線４５は、同一行の画素について共通となっており、垂直駆動回路２４によって制御される。

なお、選択用トランジスタ３５については、画素電源配線４３と増幅用トランジスタ３４のドレインとの間に接続した回路構成を採ることも可能である。上例では４トランジスタ型の画素構成としたが、その他、選択用トランジスタを省略して３トランジスタ型の画素構成とすることもできる。

図３に、画素の要部の断面構造の一例を示す。単位画素２２は、半導体基板１００の主面に第１導電型、例えばｎ型の電荷蓄積領域４５とその表面に第２導電型となるｐ型の半導体領域（いわゆるｐ型アキュミュレーション層）４６とによるフォトダイオード（ＰＤ）３１が形成されると共に、複数の画素トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）が形成されて成る。フォトダイオード３１が光電変換部となる。図３では、複数の画素トランジスタのうち、転送用トランジスタ３２とリセット用トランジスタ３３を示す。転送用トランジスタ３２は、フローティング・ディフージョン部ＦＤとなるｎ型半導体領域４７と、フォトダイオード（ＰＤ）３１と、ゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極４８とにより構成される。リセット用トランジスタ３３は、フローティング・ディフージョン部ＦＤとなるｎ型半導体領域４７と、ｎ型半導体領域４９と、ゲート絶縁膜を介して形成されたリセットゲート電極５０とにより構成される。単位画素２２は、素子分離領域５１にて隣接画素と分離される。

画素２２が形成された半導体基板１００上には、層間絶縁膜５３を介して複数層、本例では３層の金属膜による配線５４〔５４１、５４２、５４３〕を形成してなる、いわゆる多層配線層５５が形成される。多層配線層５５上には平坦化膜５６が形成される。配線５４［５４１〜５４３］は、フォトダイオード（ＰＤ）３１に対応する領域を除いて形成される。さらに、図示しないが、カラーフィルタ、オンチップマイクロレンズ、その他の後述する光学要素が形成される。

そして、本実施の形態においては、多層配線層５５より上部に配置した赤外光をカットする層内光学フィルタ層の側壁に遮光性を有するサイドウォールを形成し、斜め光が層内光学フィルタ層を通過して隣接画素に入射するのを防ぎ、混色を抑制するようになす。

次に、図４に、本発明に係るＣＭＯＳ固体撮像装置の第１実施の形態の要部の断面構造を示す。なお、発明を分かり易くするために、画素をフォトダイオードＰＤのみで代表させ、画素トランジスタを省略した状態で模式的に表している。後述する他の各実施の形態においても同様である。

第１実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置６１は、図４に示すように、半導体基板１００の主面にフォトダイオード（ＰＤ）３１を含む画素２２が複数２次元アレイ状に配列され、この半導体基板１００上に層間絶縁膜５３を介して複数層、本例では３層の配線５４〔５４１、５４２、５４３〕を形成した多層配線層５５が形成される。この多層配線層５５より上部に、所要の画素に対応して赤外光をカットする層内光学フィルタ層６２が形成され、層内光学フィルタ層６２の側壁に遮光性を有するサイドウォール６３が形成される。

さらに、隣合う層内光学フィルタ層６２の間を埋め込むと共に平坦化された絶縁膜、いわゆる平坦化膜６４が形成され、この平坦化膜６４上にカラーフィルタ６５、オンチップマイクロレンズ６６が順次形成される。

カラーフィルタ６５は、本例では図５Ａに示すように、赤（Ｒ）フィルタ成分６５Ｒと、緑（Ｇ）フィルタ成分６５Ｇと、青（Ｂ）フィルタ成分６５Ｂと、赤外光を含む全波長の光を透過するフィルタ成分（以下、便宜的に赤外光（ＩＲ）フィルタ成分という）６５ＩＲとを１単位として、これを繰り返し配列したレイアウトのフィルタが用いられる。赤フィルタ成分６５Ｒに対応する画素が赤（Ｒ）画素、緑フィルタ成分６５Ｇに対応する画素が緑（Ｇ）画素、青フィルタ成分６５Ｂに対応する画素が青（Ｂ）画素、赤外光フィルタ成分６５ＩＲに対応する画素が赤外光（ＩＲ）画素となる。

カラーフィルタ６５の他の例を図５Ｂに示す。このカラーフィルタ６５は、第１の行に、赤外光フィルタ成分６５ＩＲと青フィルタ成分６５Ｂと赤外光フィルタ成分６５ＩＲと赤フィルタ成分６５Ｒとがこの順に水平方向に繰り返し配列され、第２の行に、緑フィルタ成分６５Ｇと赤外光フィルタ成分６５ＩＲと緑フィルタ成分６５Ｇと赤外光フィルタ成分６５ＩＲとがこの順に水平方向に繰り返し配列される。さらに、第３の行に、赤外光フィルタ成分６５ＩＲと赤フィルタ成分６５Ｒと赤外光フィルタ成分６５ＩＲと青フィルタ成分６５Ｂとがこの順に水平方向に繰り返し配列された、第４の行に、緑フィルタ成分６５Ｇと赤外光フィルタ成分６５ＩＲと緑フィルタ成分６５Ｇと赤外光フィルタ成分６５ＩＲとがこの順に水平方向に繰り返し配列される。カラーフィルタ６５は、これら第１〜第４の行が、垂直方向（列方向）に繰り返し配列されたレイアウトを有して構成される。

上記の層内光学フィルタ６２は、ＩＲ画素を除く他の３色のＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素に対応して形成される。層内光学フィルタ６２は、図６に示すように、屈折率が異なる誘電体材料膜、例えば所要の膜厚に設定されたシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜６２１とシリコン窒化（ＳｉＮ）膜６２２とを交互に複数積層してなる積層誘電体膜６２３にて構成される。

層内光学フィルタ層６２の側壁に形成するサイドウォール６３は、遮光性と共に反射性を有する材料で形成されるのが好ましく、本例では金属膜で形成する。金属膜としては、例えばタングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、その他の金属膜を用いることができる。

第１実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置６１によれば、上述したように、層内光学フィルタ層６２の側壁に、遮光性を有するサイドウォール、本例では金属膜によるサイドウォール６３が形成される。このサイドウォール６３により、図７に示すように、例えば、ＩＲ画素に入射される光、特に斜め光Ｌｓは、隣接画素上の層内光学フィルタ層６２を通過しようとしても、金属膜によるサイドウォール６３にて遮光され、隣接画素への光の到達を防ぐことができる。また、層内光学フィルタ層６２を通過してＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素に入射される光、特に斜め光Ｌｓ′は、隣接画素側へ入光しようとしても、金属膜によるサイドウォール６３にて遮光され、隣接画素への光の到達を防ぐことができる。従って、層内光学フィルタ層６２を設けたことにより、フォトダイオードＰＤ）３１の受光面からオンチップマイクロレンズ６６までの距離Ｈ１が大きくなっても、混色の発生を抑制することができる。シェーディングの発生も抑制することができる。

また、サイドウォール６３を金属膜で形成することにより、反射性を有することになり、斜め光Ｌｓ、Ｌｓ′はサイドウォール６３で反射されて夫々対応するＩＲ画素、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の各フォトダイオード（ＰＤ）３１に入射される。この層内光学フィルタ層６２を通過する分の光が本来のフォトダイオード３１に入射されることにより、各画素のフォトダイオード３１への光の到達確率が増え、感度の向上を図ることができる。

従って、層内光学フィルタ層を有する利点を生かして、かつ混色が抑制された信頼性の高いＣＭＯＳ固体撮像装置を提供することができる。

図１５に、層内光学フィルタ層を有するＣＭＯＳ固体撮像装置において、フォトダイオード（ＰＤ）の受光面からオンチップマイクロレンズまでの距離Ｈ１を変えないで層内レンズを組み込ませた例を示す。本例のＣＭＯＳ固体撮像装置８１は、前述の図４と同様に、半導体基板１００の主面にフォトダイオード（ＰＤ）３１を含む画素２２が複数２次元アレイ状に配列され、基板１００上に層間絶縁膜５３を介して複数の配線５４〔５４１、５４２、５４３〕を積層した多層配線層５５が形成される。この多層配線層５５上に誘電体積層膜による層内光学フィルタ層６２が形成される。この層内光学フィルタ層６２には前述の遮光性を有するサイドウォール６３は形成されない。

そして、隣合う層内光学フィルタ層６２の間に埋め込まれた層間膜に、下凸型の層内レンズ８２が形成される。すなわち、ＩＲ画素のフォトダイオード３１に対応して下凸型の層内レンズ８２が形成される。この層内レンズ８２は、屈折率Ｎが異なる第１の層間膜８３と第２の層間膜８４で形成される。本例では、第１の層間膜８３としてＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）膜を用い、第２の層間膜８４としてＢＰＳＧ膜より屈折率Ｎが高いシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を用いて、下凸型の層内レンズ８２を構成する。
さらに、平坦化膜を介してカラーフィルタ６５及びオンチップマイクロレンズ６６が形成される。

上記ＣＭＯＳ固体撮像装置８１によれば、隣合う層内光学フィルタ層６２の間の層間膜に、下凸型の層内レンズ８２を設けることにより、ＩＲ画素のフォトダイオード３１への光の到達確率が増し、感度の向上が図れる。しかも、この層内レンズ８２は、隣合う層内光学フィルタ層６２の間に形成されるので、フォトダイオード３１の受光面からオンチップマイクロレンズ６６までの距離Ｈ１を増すことなく、層内レンズを内蔵することができる。

図８に、図１５の層内レンズ８２を付加した本発明に係るＣＭＯＳ固体撮像装置の第２実施の形態を示す。本実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置６７は、多層配線層５５とカラーフィルタ６５との間に所要の画素に対応して赤外光をカットする層内光学フィルタ層６２が形成され、この層内光学フィルタ層６２の側壁に遮光性を有するサイドウォール６３、本例では金属膜からなるサイドウォールが形成される。そして、ＩＲ画素のフォトダイオード３１上に対応して隣合う層内光学フィルタ層６２の間の層間膜に、図１５に示す下凸型の層内レンズ８２が形成される。すなわち、この層内レンズ８２は、第１の層間膜８３、本例ではＢＰＳＧ膜と、この第１の層間膜８３より屈折率の高い第２の層間膜８４、本例ではシリコン窒化膜とにより形成される。
その他の構成は、前述の図４で説明したと同様であるので、図４と対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。

第２実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置６７によれば、層内光学フィルタ層６２の側壁に金属膜によるサイドウォール６３が形成されることにより、図４で説明したと同様に、サイドウォール６３で斜め光が遮光されると同時に反射される。これにより、隣接画素への光の到達を防ぎ混色の発生を抑制し、緩和できると共に、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素及びＩＲ画素の各フォトダイオード３１への光の到達確率が増え、感度の向上を図ることができる。さらに、隣合う層内光学フィルタ層６２の間の層間膜に、下凸型の層内レンズ８２が形成されることにより、受光面からオンチップマイクロレンズ６６までの距離Ｈ１を増すことなく、層内レンズ８２を内蔵してさらにＩＲ画素のフォトダイオード３１への光の到達確率を増して感度の向上を図ることができる。

次に、図９〜図１１に、上述の第２実施の形態のＣＭＯＳ固体撮像装置６７の製造方法の一実施の形態を示す。

先ず、図９Ａに示すように、半導体基板１００の主面に素子分離領域（図示せず）、複数のフォトダイオード（ＰＤ）３１を含む画素２２などを形成した後、層間絶縁膜５３及び複数の配線５４〔５４１、５４２、５４３〕からなる多層配線層５５を形成する。配線５４は、例えばＣｕ配線あるいはＡｌ配線など遮光性を有する導電膜で形成することができる。さらにＩＲ画素を除くＲ画素、Ｇ画素及びＢ画素に対応して多層配線層５５より上部に誘電体多層膜からなる層内光学フィルタ層６２を形成する。

次に、図９Ｂに示すように、層内光学フィルタ層６２の表面に沿うように遮光性材料膜６３Ａ、本例ではタングステン（Ｗ）、あるいはアルミニウム（Ａｌ）などの金属膜を所要の膜厚に成膜する。

次に、図９Ｃに示すように、遮光性材料膜６３Ａに対してエッチバック処理を施し、層内光学フィルタ層６２の側壁に遮光性材料膜６３Ａ、本例では金属膜によるサイドウォール６３を形成する。

次に、図１０Ｄに示すように、層内光学フィルタ層６２を含む基板１００上の全面に第１の屈折率を有する第１の層間膜８３、本例ではＢＰＳＧ膜を成膜する。この第１の層間膜８３は、隣合う層内光学フィルタ層６２間を埋め込むように形成する。このため、第１の層間膜８３の表面は凹凸に形成される。

次に、図１０Ｅに示すように、表面の凹凸を埋めて表面が平坦になるように第１の層間膜８３上に、フォトレジスト膜８６を成膜する。ここで、第１の層間膜８３とレジスト膜８６のエッチングレートは同じである。

次に、図１０Ｅの鎖線８７までフォトレジスト膜８６及び第１の層間膜８３をエッチバックして、図１０Ｆに示すように、表面が平坦化された第１の層間膜８３を形成する。

次に、図１１Ｇに示すように、第１の層間膜８３上の各層内光学フィルタ層６２に対応する位置に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いてレジストマスク８８を形成する。このレジストマスク８８は、サイドウォール６３が形成された層内光学フィルタ層６２の平面から見た面積よりも多少広い面積に形成する。

次に、図１１Ｈに示すように、レジストマスク８８を介して例えばケミカルドライエッチング法により、等方的に第１の層間膜８３をエッチング除去して、層内光学フィルタ層６２の間の第１の層間膜８３に所要の曲率の凹面を有した凹部８９を形成する。

次に、図１１Ｉに示すように、凹部８９が埋め込まれるように第１の層間膜８３の上面全面に、第１の層間膜８３よりも屈折率の高い第２の層間膜８４、本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を成膜した後、エッチバックして表面が平坦化された第２の層間膜８４を形成する。この第１の層間膜８３とその凹部８９内に埋め込まれた第２の層間膜８４にて、下凸型の層内レンズ８２を形成する。

その後の工程は、この第２の層間膜８４上にカラーフィルタ６５及びオンチップマイクロレンズ６６を形成して、図８に示す目的の第２実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置６７を得る。

なお、第１の層間膜８３に凹部８９を形成する他の方法としては、例えば図１２に示すように、サイドウォール６３を有する層内光学フィルタ層６２を形成した後、第１の層間膜８３を成膜し、表面の凹凸を利用して所要の温度でリフロー処理を行う。この処理で第１の層間膜８３がリフローして層内光学フィルタ層６３の間の第１の層間膜８３に、所要の曲率の凹面を有した凹部８９が形成される。

図１３に、本発明に係るＣＭＯＳ固体撮像装置の第３実施の形態を示す。本実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置９４は、多層配線層５５とカラーフィルタ６５との間に所要の画素に対応して赤外光をカットする層内光学フィルタ層６２が形成され、この層内光学フィルタ層６２の側壁に遮光性を有するサイドウォール６３、本例では金属膜からなるサイドウォールが形成される。そして、このＣＭＯＳ固体撮像装置９４では、多層配線層５５内の多層配線５４が形成されていない領域の層間絶縁膜、すなわち隣合う多層配線５４の間の領域の層間絶縁膜５３を利用して、この層間絶縁膜５３のＩＲ画素、Ｒ画素、Ｇ画素及びＢ画素の各フォトダイオード（ＰＤ）３１に対応する位置に、屈折率の異なる２層膜により下凸型の層内レンズ９５を形成して構成される。
その他の構成は、図４と同様であるので、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

第３実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置９４によれば、層内光学フィルタ層６２の側壁に金属膜によるサイドウォール６３が形成されることにより、図４で説明したと同様に、サイドウォール６３で斜め光が遮光されると同時に反射される。これにより、隣接画素への光の到達を防ぎ混色の発生を抑制し、緩和できると共に、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素及びＩＲ画素の各フォトダイオード３１への光の到達確率が増え、感度の向上を図ることができる。また、この層内レンズ９５は、各画素に対して多層配線層の層間絶縁膜５３を利用して下凸型に形成されるので、全画素のフォトダイオードへの光の到達確率を増やし、且つフォトダイオード３１の受光面からオンチップマイクロレンズ６６までの距離Ｈ１を増すことなく、層内レンズを内蔵させたＣＭＯＳ固体撮像装置を提供できる。

図１４に、本発明に係るＣＭＯＳ固体撮像装置の第４実施の形態を示す。本実施の形態の係るＣＭＯＳ固体撮像装置７３は、層内光学フィルタ層６２の側壁に屈折率の違いを利用して遮光性、反射性を持たせたサイドウォール７４を形成して構成される。サイドウォール７４は、屈折率を異にした複数層の膜、例えば２層膜による絶縁膜７５，７６で形成される。この場合、内側の絶縁膜７５は屈折率が２．０のシリコン窒化（ＳｉＮ）膜で形成し、外側の絶縁膜７６はシリコン酸化膜（屈折率（１．４程度）などで形成する。さらに外側の絶縁膜７６に接する光透過性の層間膜７７は、外側の絶縁膜７６とは屈折率の異なる材料、例えば屈折率が２．０のシリコン窒化（ＳｉＮ）膜で形成する。層間膜７７では、サイドウォール７４の外側の絶縁膜７６をクラッドとし、層間膜７７をコアとした導波路に似た構成となる。この層間膜７７に斜めに入射された光Ｌｓは、層間膜７７とサイドウォール７４の外側の絶縁膜７６との界面で全反射されてフォトダイオード３１側に向かう。一方、層内光学フィルタ層６２に斜めに入射された光Ｌｓ′は、サイドウォール７４の内側の絶縁膜７５と外側の絶縁膜７６との界面で全反射されてフォトダイオード３１側に向かう。

その他の構成は、図４と同様であるので、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

４実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置７３によれば、層内光学フィルタ層６２の側壁に屈折率の異なる複数層の絶縁膜７５，７６によるサイドウォール７４が形成され、さらに外側の絶縁膜７６と屈折率の異なる層間膜７７が形成される。このような構成により、層間膜７７とサイドウォール７４との界面、あるいはサイドウォール７４の絶縁膜７５と絶縁膜７６との界面で斜め光が遮光されると同時に反射される。これにより、隣接画素への光の到達を防ぎ混色の発生を抑制し、緩和できると共に、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素及びＩＲ画素の各フォトダイオード３１への光の到達確率が増え、感度の向上を図ることができる。

第４実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置７３においても、前述の図１５、図１３で示した層内レンズ８２、９５等を組み合わせた構成とすることができる。

さらに、図１３あるいは図１４に示す本発明に係る実施の形態において、サイドウォール６３あるいはサイドウォール７４を有する層内光学フィルタ層６２の上部側に、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素及びＩＲ画素に対応する層内レンズ８２（図１５参照）を形成した構成とすることもできる。また、図１４の第４実施の形態において、層内レンズ８２及び９５（図１５、図１３参照）を形成した構成とすることもできる。本実施の形態のＣＭＯＳ固体撮像装置においても、層内光学フィルタ層６２に遮光性を有するサイドウォール６３あるいは７４を有することにより、混色の発生を抑制できると共に、各画素のフォトダイオード３１への入社光の到達確率を増すことができ、感度の向上を図ることができる。

図４のＣＭＯＳ固体撮像装置６１は、前述の図９Ａ〜図１０Ｆの工程に準じて製造することができる。
図１３のＣＭＯＳ固体撮像装置９４は、多層配線層５５の層間絶縁膜５５に前述の図１１Ｇ〜Ｉの工程に準じて層内レンズ９５を形成した後、前述の図９Ａ〜図１０Ｆの工程に準じて製造することができる。
図１４のＣＭＯＳ固体撮像装置７３は、前述の図９Ａ〜図１０Ｆの工程に準じて製造することができる。すなわち、図９Ａの工程の後、図９Ｂ〜Ｃの工程を２回繰り返すことにより、サイドウォール７４を形成することができる。

画素としては、例えば図２で示すように、１つのフォトダイオードと４つの画素トランジスタで構成した例を示したが、その他、図示しないが、複数のフォトダイオードが画素トランジスタを共有する、いわゆる画素共有型のＣＭＯＳ固体撮像装置にも、本発明は適用できる。

図１６に、本発明に係るカメラモジュールの実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係るカメラモジュール１１０は、上述した実施の形態のいずれかのＣＭＯＳ固体撮像装置１１７、光学レンズ系１１１、入出力部１１２、信号処理装置（Digital Signal Processors）１１３、光学レンズ系制御用の中央演算装置（ＣＰＵ）１１４を１つに組み込
んで構成する。また、カメラモジュール１１５としては、例えばＣＭＯＳ固体撮像装置１１７、光学レンズ系１１１及び入出力部１１２のみで構成することもできる。また、ＣＭＯＳ固体撮像装置１１７、入出力部１１２及び信号処理装置（Digital Signal Processors）１１３を備えたカメラモジュール１１６を構成することもできる。

本実施の形態に係るカメラモジュールによれば、隣接画素への光学的な混色の発生を抑制し、感度の向上を図り、しかも赤外光を利用して暗い被写体を明るく撮ることができるカメラモジュールを実現することができる。

また、本のＣＭＯＳ固体撮像装置を撮像カメラに適用した場合にも、隣接画素への光学的な混色の発生を抑制し、感度の向上を図り、しかも赤外光を利用して暗い被写体を明るく撮ることができる撮像カメラを実現することができる。

本発明に係る固体撮像装置の実施の形態の全体の概略構成を示す構成図である。単位画素の例を示す等価回路図である。単位画素の断面構造の概略を示す構成図である。本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す要部の構成図である。本発明に適用されるカラーフィルタの配列の例を示す平面図である。本発明に適用される赤外光をカットする積層誘電体膜による層内光学フィルタ層の例を示す構成図である。第１実施の形態に係る固体撮像装置の動作説明に供する説明図である。本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す要部の構成図である。Ａ〜Ｃ第２実施の形態の固体撮像装置の製造方法の例を示す製造工程図（その１）である。Ｄ〜Ｆ第２実施の形態の固体撮像装置の製造方法の例を示す製造工程図（その２）である。Ｇ〜Ｉ第２実施の形態の固体撮像装置の製造方法の例を示す製造工程図（その３）である。第２実施の形態の固体撮像装置の製造方法の他の例を示す所要の工程図である。本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す要部の構成図である。本発明に係る固体撮像装置の第４実施の形態を示す要部の構成図である。本発明の実施の形態に適用される固体撮像装置の構成の一例を示す要部の構成図である。本発明に係るカメラモジュールの実施の形態を示す概略構成図である。赤外光をカットする層内光学フィルタ層を備えた、従来のＣＭＯＳ固体撮像装置の例を示す要部の概略構成図である。赤外光をカットする層内光学フィルタ層を備えない、従来のＣＭＯＳ固体撮像装置の例を示す要部の概略構成図である。

符号の説明

６１、６７、７３、９４・・ＣＭＯＳ固体撮像装置、１００・・半導体基板、２２・・単位画素、３１・・フォトダイオード、５３・・層間絶縁膜、５４〔５４１、５４２、５４３〕・・配線、５５・・多層配線層、６２・・層内光学フィルタ層（赤外光カットフィルタ層）、６３、７４・・遮光性を有するサイドウォール、６４・・平坦化膜、６５・・カラーフィルタ、６６・・オンチップマイクロレンズ、７５、７６・・絶縁膜、７７・・層間膜、８２、９５、・・層内レンズ

Claims

光電変換部と画素トランジスタを含む画素が複数配列され、
前記所要の画素の光電変換部の受光面に対向して赤外光をカットする層内光学フィルタ
層が形成され、
前記層内光学フィルタ層の側壁に遮光性を有するサイドウォールが形成され、
隣合う前記層内光学フィルタ層の間に層内レンズが形成されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記サイドウォールが金属膜で形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記サイドウォールが、前記隣合う層内光学フィルタ層間の光透過層と異なる屈折率材
料で形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
固体撮像装置と光学レンズ系を備え、
前記固体撮像装置は、
光電変換部と画素トランジスタを含む画素が複数配列され、
前記所要の画素の光電変換部の受光面に対向して赤外光をカットする層内光学フィルタ
層が形成され、
前記層内光学フィルタ層の側壁に遮光性を有するサイドウォールが形成され、
隣合う前記層内光学フィルタ層の間に層内レンズが形成されている
ことを特徴とするカメラモジュール。